Dominando las estructuras de celosía impresas en 3D: diseño, propiedades e insights de rendimiento

Los procesos de fabricación aditiva (AM) permiten a los ingenieros desbloquear las capacidades de las estructuras de celosía para mejorar el rendimiento de sus productos. Las celosías son micro-arquitecturas bidimensionales o tridimensionales compuestas por una red de nodos y vigas, o puntales, que reducen drásticamente el peso y retienen la integridad estructural.

Existen una miríada de tipos de celosías disponibles

Hay una miríada de tipos de celosías disponibles que tienen características únicas (modos de deformación, eficiencia de material, etc.) y estéticas. Muchas de estas estructuras de celosía están inspiradas en estructuras cristalinas que ocurren naturalmente. Y debido a sus características inherentemente pequeñas, las celosías son difíciles, o casi imposibles, de crear mediante métodos de fabricación tradicionales.

La incorporación de estructuras de celosía permite a los ingenieros explorar más del espacio de diseño repensando el rendimiento deseado de su pieza.

Mediante técnicas de celosía, la masa total de la pieza puede reducirse en un 90% o más ajustando precisamente los parámetros de la celosía a las cargas físicas sobre la pieza.

Beneficios mecánicos

Los beneficios de las celosías se han conocido a lo largo del tiempo. Si observa lo suficientemente de cerca, ve celosías en la naturaleza (como huesos, cristalografía de metales, etc.) así como en la arquitectura moderna. Tome el ejemplo de la Torre Eiffel: la estructura metálica de la torre soporta eficientemente su peso mientras se eleva hacia el cielo. Similar a una celosía simple, esta estructura auto-soportante es, por volumen, principalmente aire. La alta relación resistencia-peso posible con las celosías permitió este logro arquitectónico tremendo.

De manera similar, en el diseño de productos, los beneficios mecánicos de las celosías (ej. alta superficie, excelente absorción de choques, protección contra impactos) permiten a los diseñadores de productos desafiar las restricciones de la fabricación tradicional para crear productos nuevos —y a menudo de mayor rendimiento—.

Buena relación resistencia-peso

Generalmente hay dos caminos para mejorar la relación resistencia-peso de una pieza dada. A través de la fabricación tradicional, se logra reduciendo material en áreas no críticas para optimizar el uso del material. A través de la celosía, puede eliminar material en las áreas críticas de la pieza. Aunque la celosía reduce la resistencia general de la pieza, el ahorro de peso puede mejorar esta relación resistencia-peso.

Alta superficie

Las celosías no solo son ligeras, sino que desbloquean una gran cantidad de superficie, un beneficio clave para productos que facilitan intercambios de calor y reacciones químicas.

Considere los intercambiadores de calor usados en computadoras en servidores y centros de datos. Típicamente, el rendimiento del procesador está limitado por la cantidad de calor producido. El objetivo es eliminar el calor del chip y expulsarlo a la atmósfera, usualmente ayudado por un ventilador. La eficiencia general de este sistema está vinculada a la cantidad de superficie en el disipador de calor (la pieza de metal que aleja el calor del chip). Las celosías pueden aumentar dramáticamente la cantidad de superficie disponible o, alternativamente, producir esa cantidad de superficie de forma más asequible evitando procedimientos de utillaje complejos. De hecho, esta ganancia de eficiencia puede realizarse en muchos tipos diferentes de aplicaciones de intercambiadores de calor, donde características pequeñas con grandes superficies son difíciles o casi imposibles de crear sin fabricación aditiva.

Excelente absorción de choques y protección contra impactos

Las celosías también pueden ayudar a proteger productos de caídas o colisiones absorbiendo mejor la energía de impacto. Las celosías pueden integrarse en un producto —como un casco de fútbol— para reducir el estrés de impacto o usarse como característica sacrificial para proteger los componentes críticos de un producto. Una celosía podría, por ejemplo, usarse alrededor o dentro de componentes electrónicos para protegerlos de un evento dinámico, como una caída accidental demasiado común.

Deseable amortiguación de vibraciones y ruido

Las celosías fabricadas aditivamente también dan a los ingenieros una nueva forma de eliminar el ruido mecánico —como vibraciones— que puede ser incómodo para los usuarios e incluso degradar el rendimiento de la máquina.

Las celosías son efectivas para amortiguar vibraciones debido a sus bajas rigideces y capacidad para soportar y recuperar grandes deformaciones. Las celosías podrían, por ejemplo, integrarse en una almohadilla aislante en equipos pesados para reducir la cantidad de energía que entra en el sistema de fabricación. La naturaleza ajustable de las celosías permite a los ingenieros refinar diseños para adaptarlos a su aplicación particular.

Desbloquee el potencial de las celosías adhiriéndose a principios DFAM

Es cierto que la fabricación aditiva puede abrir muchas nuevas oportunidades de producto, pero hay factores de diseño que debe reconocer antes de imprimir una celosía funcional. Aquí es donde el diseño para fabricación aditiva (DFAM) interviene. DFAM ayuda a los ingenieros de diseño a asegurar que sus piezas impresas coincidan con la intención de diseño.

Algunas consideraciones importantes de DFAM incluyen estructura de celda de celosía, tamaño y densidad de celda, selección de material y orientación de celda.

• Estructura de celda
  Hay una vasta gama de estructuras de celda, que son la unidad repetida en una celosía. La lista de estructuras de celda es muy larga y en constante crecimiento. Las estructuras de celda más comunes incluyen cúbica, estrella, octaedro, hexagonal, diamante y tetraedro, por nombrar algunas. Las estructuras de celda pueden ajustarse e incluso mezclarse para obtener la respuesta deseada para su sistema, pero su selección tiene implicaciones. Algunas estructuras son más eficientes (mayores ratios rigidez-peso), otras amortiguan mejor la energía, y algunas son un poco más estéticamente agradables. Las fortalezas y ventajas deben pesarse entre sí para hacer la elección correcta para su pieza.
• Tamaño y densidad de celda
  El tamaño y densidad de celda se refieren al tamaño de una celda unitaria individual y cuántas celdas se repiten dentro de un espacio. El tamaño de la celda en sí depende del grosor y longitud de sus miembros y nodos conectores. Celdas más grandes pueden ser más fáciles de imprimir pero también pueden actuar más rígidas; de igual manera, celdas más pequeñas permiten respuestas de sistema más homogéneas pero están limitadas por tamaños de características.

• Selección de material
  Su material elegido puede definir qué propiedades de celosía son posibles. Los materiales elastoméricos o blandos generalmente requieren una población de celdas más pequeña y densa para reducir la flacidez durante la impresión. Alternativamente, las celosías impresas con un material más rígido generalmente permiten un mayor rango de diseño con miembros más delgados y tamaños de celda más grandes.
• Orientación de celda
  El ángulo en que se imprime una celda puede afectar el éxito de una impresión porque influye en la cantidad y colocación de soportes requeridos. En general, una celosía bien elegida y orientada es auto-soportante, lo que no requiere soportes separados. A menudo, una estructura puede rotarse para reducir soportes. Piense en un gran entramado cúbico: si se imprime directamente en la plataforma de construcción, los miembros horizontales no tendrán soporte. Sin embargo, si la estructura simplemente se rota 45 grados, los miembros ahora son auto-soportantes.

Las celdas unitarias repetidas de una celosía abren la puerta a innumerables tamaños, formas y atributos de rendimiento. La naturaleza inherentemente compleja de las celosías las hace casi imposibles de crear de otra manera que no sea fabricación aditiva.

Si nunca ha diseñado con celosías antes, puede ser bueno recurrir a un experto que pueda ayudarle a comenzar. En Fast Radius, nuestro equipo se especializa en maximizar el valor total de la aditiva, desde desarrollar productos de mejor rendimiento con celosías hasta impulsar la eficiencia de la cadena de suministro a través de producción bajo demanda y almacenamiento virtual. Para saber más sobre el valor potencial de la aditiva —o para comenzar a diseñar un producto para procesos AM— contáctenos hoy.

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